Antianyag szintézis. Pont az ellenkezője

ANTIMATER, olyan atomokból álló anyag, amelyek atommagjai negatív elektromos töltéssel rendelkeznek, és pozitronok veszik körül - pozitív elektromos töltésű elektronok. A közönséges anyagokban, amelyekből a körülöttünk lévő világ épül fel, a pozitív töltésű atommagokat negatív töltésű elektronok veszik körül. Az antianyagtól való megkülönböztetés érdekében a közönséges anyagot néha koineanyagnak nevezik (a görög szóból). koinos- közönséges). Ezt a kifejezést azonban gyakorlatilag nem használják az orosz irodalomban. Hangsúlyozni kell, hogy az „antianyag” kifejezés nem teljesen helytálló, hiszen az antianyag is anyag, annak egy fajtája. Az antianyag ugyanolyan tehetetlenségi tulajdonságokkal rendelkezik, és ugyanazt a gravitációs vonzást hozza létre, mint a közönséges anyag.

Amikor anyagról és antianyagról beszélünk, logikus az elemi (szubatomi) részecskékkel kezdeni. Minden elemi részecskének van egy antirészecskéje; mindkettő majdnem ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik, kivéve, hogy ellentétes elektromos töltésük van. (Ha a részecske semleges, akkor az antirészecske is semleges, de ezek más jellemzőikben különbözhetnek. Egyes esetekben a részecske és az antirészecske azonos egymással.) Így egy elektronnak, egy negatív töltésű részecskenak felel meg egy pozitron, a pozitív töltésű proton antirészecskéje pedig egy negatív töltésű antiproton. A pozitront 1932-ben, az antiprotont 1955-ben fedezték fel; ezek voltak az első antirészecskék, amelyeket felfedeztek. Az antirészecskék létezését 1928-ban P. Dirac angol fizikus jósolta meg a kvantummechanika alapján.

Amikor egy elektron és egy pozitron ütközik, megsemmisülnek, azaz. mindkét részecske eltűnik, és ütközésük helyéről két gamma-sugár bocsát ki. Ha az ütköző részecskék kis sebességgel mozognak, akkor az egyes gamma-kvantumok energiája 0,51 MeV. Ez az energia az elektron „nyugalmi energiája”, vagy nyugalmi tömege, energiaegységekben kifejezve. Ha az ütköző részecskék nagy sebességgel mozognak, akkor a gamma-sugarak energiája nagyobb lesz a mozgási energiájuk miatt. Megsemmisülés akkor is előfordul, ha egy proton ütközik egy antiprotonnal, de a folyamat ebben az esetben sokkal bonyolultabb. Számos rövid élettartamú részecske születik a kölcsönhatás közbenső termékeként; néhány mikroszekundum után azonban a neutrínók, gamma-sugarak és kis számú elektron-pozitron pár marad az átalakulások végtermékeként. Ezek a párok végül megsemmisülhetnek, további gamma-sugarakat hozva létre. Az annihiláció akkor is megtörténik, amikor egy antineutron ütközik neutronnal vagy protonnal.

Mivel antirészecskék léteznek, felmerül a kérdés, hogy antirészecskékből lehet-e antinukleuszokat képezni. A közönséges anyag atomjai protonokból és neutronokból állnak. A legegyszerűbb atommag a közönséges hidrogén izotópjának magja 1 H; egyetlen protont képvisel. A deutérium 2H atommag egy protonból és egy neutronból áll; deuteronnak hívják. Egy másik példa az egyszerű atommagra a 3 He atommag, amely két protonból és egy neutronból áll. Az antiprotonból és egy antineutronból álló antideuteront 1966-ban állították elő a laboratóriumban; A két antiprotonból és egy antineutronból álló anti-3He atommagot először 1970-ben állították elő.

A modern részecskefizika szerint a megfelelő technikai eszközökkel minden közönséges atommag antinukleuszát meg lehetne nyerni. Ha ezeket az antinukleuszokat megfelelő számú pozitron veszi körül, akkor antiatomokat képeznek. Az antiatomok szinte pontosan ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a közönséges atomok; molekulákat alkotnának, amelyekből szilárd anyagok, folyadékok és gázok, köztük szerves anyagok képződhetnének. Például két antiproton és egy antioxigén atommag nyolc pozitronnal együtt a közönséges víz H 2 O-hoz hasonló antivízmolekulát alkothat, amelynek mindegyik molekulája két proton hidrogénmagból, egy oxigénatommagból és nyolc elektronból áll. A modern részecskeelmélet képes megjósolni, hogy az antivíz 0 °C-on megfagy, 100 °C-on forr, és egyébként úgy viselkedik, mint a közönséges víz. Ezt az okoskodást folytatva arra a következtetésre juthatunk, hogy egy antianyagból felépült antivilág rendkívül hasonlítana a minket körülvevő hétköznapi világhoz. Ez a következtetés a szimmetrikus univerzum elméleteinek kiindulópontja, azon a feltételezésen alapulva, hogy az univerzum azonos mennyiségű közönséges anyagot és antianyagot tartalmaz. Abban a részében élünk, amely közönséges anyagból áll.

Ha két azonos, egymással ellentétes típusú anyagdarab kerül érintkezésbe, akkor az elektronok pozitronokkal és az atommagok az antinukleusokkal megsemmisülnek. Ebben az esetben gamma kvantumok jelennek meg, amelyek megjelenése alapján meg lehet ítélni, hogy mi történik. Mivel a Föld definíció szerint közönséges anyagból áll, nincs benne számottevő mennyiségű antianyag, kivéve a nagy gyorsítókban és a kozmikus sugarakban keletkező apró antirészecskéket. Ugyanez vonatkozik az egész naprendszerre.

A megfigyelések azt mutatják, hogy Galaxisunkban csak korlátozott mennyiségű gamma-sugárzás keletkezik. Ebből számos kutató arra a következtetésre jut, hogy nincs benne feltűnő mennyiségű antianyag. De ez a következtetés nem vitathatatlan. Jelenleg nincs mód annak meghatározására, hogy például egy adott közeli csillag anyagból vagy antianyagból áll-e; egy antianyag csillag pontosan ugyanazt a spektrumot bocsátja ki, mint egy normál csillag. Továbbá nagyon valószínű, hogy a csillag körüli teret kitöltő és magának a csillagnak az anyagával azonos ritkított anyag elkülönül az ellenkező típusú anyaggal töltött területektől - nagyon vékony, magas hőmérsékletű „Leidenfrost-rétegektől”. Így a csillagközi és intergalaktikus tér „sejtszerkezetéről” beszélhetünk, amelyben minden sejt vagy anyagot vagy antianyagot tartalmaz. Ezt a hipotézist alátámasztják a modern kutatások, amelyek azt mutatják, hogy a magnetoszféra és a helioszféra (bolygóközi tér) sejtszerkezettel rendelkezik. A különböző mágnesezettségű és néha eltérő hőmérsékletű és sűrűségű cellákat nagyon vékony áramhéjak választják el egymástól. Ez ahhoz a paradox következtetéshez vezet, hogy ezek a megfigyelések még a galaxisunkban sem mondanak ellent az antianyag létezésének.

Ha korábban nem szóltak meggyőző érvek az antianyag léte mellett, most a röntgen- és gamma-csillagászat sikerei változtattak a helyzeten. Hatalmas és gyakran rendkívül rendezetlen energiafelszabaduláshoz kapcsolódó jelenségeket figyeltek meg. Valószínűleg az ilyen energiafelszabadulás forrása a megsemmisülés volt.

O. Klein svéd fizikus az anyag és az antianyag szimmetriájának hipotézisén alapuló kozmológiai elméletet dolgozott ki, és arra a következtetésre jutott, hogy a megsemmisülési folyamatok döntő szerepet játszanak az Univerzum evolúciójában és a galaxisok szerkezetének kialakulásában.

Egyre világosabbá válik, hogy a fő alternatív elmélet, az „ősrobbanás” elmélet súlyosan ellentmond a megfigyelési adatoknak, és a „szimmetrikus kozmológia” valószínűleg központi helyet foglal el a kozmológiai problémák megoldásában a közeljövőben.

Az antianyag olyan anyag, amely kizárólag antirészecskékből áll. A természetben minden elemi részecskének van antirészecskéje. Egy elektron esetében ez pozitron, egy pozitív töltésű protonnál pedig antiproton. A közönséges anyag atomjai – másként hívják érmeanyag- pozitív töltésű atommagból áll, amely körül elektronok mozognak. Az antianyag atomok negatív töltésű magjait pedig antielektronok veszik körül.

Az anyag szerkezetét meghatározó erők mind a részecskék, mind az antirészecskék esetében azonosak. Egyszerűen fogalmazva, a részecskék csak a töltésük jelében különböznek egymástól. Jellemző, hogy az „antianyag” nem egészen a helyes elnevezés. Lényegében csak egyfajta anyag, amely ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik, és képes vonzerőt kelteni.

Megsemmisítés

Valójában ez egy pozitron és egy elektron ütközésének folyamata. Ennek eredményeként mindkét részecske kölcsönös megsemmisülése (megsemmisülése) történik hatalmas energia felszabadulásával. 1 gramm antianyag megsemmisülése egyenértékű egy 10 kilotonnás TNT töltet felrobbanásával!

Szintézis

1995-ben bejelentették, hogy az első kilenc antihidrogén atomot szintetizálták. 40 nanomásodpercig éltek, majd meghaltak, energiát szabadítva fel. És már 2002-ben a kapott atomok száma több száz volt. De az összes keletkező antirészecske csak nanomásodpercekig maradhatott fenn. A helyzet megváltozott a hadronütköztető elindításával: sikerült 38 antihidrogénatomot szintetizálniuk és egy teljes másodpercig megtartani. Ebben az időszakban lehetővé vált az antianyag szerkezetének kutatása. Egy speciális mágneses csapda létrehozása után megtanulták megtartani a részecskéket. A kívánt hatás elérése érdekében nagyon alacsony hőmérsékletet hoznak létre. Igaz, egy ilyen csapda nagyon nehézkes, összetett és költséges ügy.

S. Snegov „People Like Gods” című trilógiájában a megsemmisítési folyamatot intergalaktikus repüléseknél alkalmazzák. A regény hősei a segítségével porrá varázsolják a csillagokat és a bolygókat. De korunkban az antianyag beszerzése sokkal nehezebb és drágább, mint az emberiség táplálása.

Mennyibe kerül az antianyag?

Egy milligramm pozitron 25 milliárd dollárba kerül. Egy gramm antihidrogénért pedig 62,5 billió dollárt kell fizetni.

Olyan nagylelkű ember még nem jelent meg, hogy akár egy század grammot is megvehetett volna. Több száz millió svájci frankot kellett fizetni a gramm egymilliárd része után, hogy anyagot szerezzenek a részecskék és antirészecskék ütköztetésének kísérleti munkáihoz. Egyelőre nincs olyan anyag a természetben, amely drágább lenne az antianyagnál.

De az antianyag súlyának kérdésével minden nagyon egyszerű. Mivel csak töltésben különbözik a közönséges anyagtól, minden más jellemzője ugyanaz. Kiderült, hogy egy gramm antianyag pontosan egy grammot fog nyomni.

Az antianyag világa

Ha igaznak fogadjuk el, hogy létezett, akkor ennek a folyamatnak az eredményeként egyenlő mennyiségű anyagnak és antianyagnak kellett volna keletkeznie. Miért nem figyelünk tehát antianyagból készült tárgyakat a közelünkben? A válasz nagyon egyszerű: a kétféle anyag nem tud együtt létezni. Biztosan elpusztítják egymást. Valószínűleg léteznek galaxisok, sőt antianyagból készült univerzumok is, és még látunk is néhányat. De ugyanaz a sugárzás árad belőlük, ugyanaz a fény jön belőlük, mint a hétköznapi galaxisokból. Ezért még mindig nem lehet biztosan megmondani, hogy létezik-e az antivilág, vagy ez egy gyönyörű mese.

Veszélyes?

Az emberiség sok hasznos felfedezést a pusztítás eszközévé változtatott. Az antianyag ebben az értelemben nem lehet kivétel. A megsemmisítés elvén alapuló fegyvernél erősebb fegyvert még nem lehet elképzelni. Talán nem is olyan rossz, hogy még nem lehet kivonni és tárolni az antianyagot? Vajon végzetes harang lesz belőle, amelyet az emberiség az utolsó napján hall?

A közelmúltban a CERN-ben működő ALICE-együttműködés tagjai rekordpontossággal mérték meg az antianyag atommagok tömegét, sőt megbecsülték azt az energiát is, amely az antiprotonokat az antineutronokhoz köti. Eddig nem találtak lényeges különbséget ezen paraméterek között az anyagban és az antianyagban, de nem is ez a lényeg. Fontos, hogy most, az elmúlt években nemcsak antirészecskék, hanem antinukleuszok, sőt antiatomok is elérhetővé válnak mérések és megfigyelések számára. Ez azt jelenti, hogy ideje kitalálni, mi az antianyag, és milyen helyet foglal el kutatása a modern fizikában.

Próbáljunk meg kitalálni néhány első kérdést az antianyaggal kapcsolatban.

Igaz, hogy antianyag felhasználásával szupererős bombát lehet készíteni? Lehetséges, hogy az Angyalok és démonok című filmben bemutatott módon antianyagot halmoznak fel a CERN-ben, és ez nagyon veszélyes? Igaz, hogy az antianyag rendkívül hatékony üzemanyag lesz az űrutazáshoz? Van igazság abban a pozitronikus agy gondolatában, amellyel Isaac Asimov robotokat ruházott fel munkáiban?

Nem titok, hogy az antianyag a legtöbb ember számára valami rendkívül (robbanékonyan) veszélyeshez, valami gyanúshoz, valami fantáziát fantasztikus ígéretekkel és hatalmas kockázatokkal gerjesztővel asszociál – innen erednek az ilyen kérdések. Valljuk be: a fizika törvényei mindezt közvetlenül nem tiltják. Ezeknek az elképzeléseknek a megvalósítása azonban olyan távol áll a valóságtól, a modern technológiáktól és a következő évtizedek technológiáitól, hogy a pragmatikus válasz egyszerű: nem, a modern világra ez nem igaz. Az ezekről a témákról folytatott beszélgetés csak fantázia, amely nem valós tudományos és technikai vívmányokon alapul, hanem azok extrapolációján, amelyek messze túlmutatnak a modern képességek határain. Ha komolyan szeretne beszélgetni ezekről a témákról, jöjjön közelebb a 2100-hoz. Most beszéljünk az antianyag tényleges tudományos kutatásáról.

Mi az antianyag?

Világunk úgy van kialakítva, hogy minden típusú részecske esetében - elektronok, protonok, neutronok stb. - vannak antirészecskék (pozitronok, antiprotonok, antineutronok). Azonos tömegűek, és ha instabilok, felezési idejük is megegyezik, de ellentétes töltések és a kölcsönhatást jellemző egyéb számok. A pozitronok tömege megegyezik az elektronokéval, de csak pozitív töltésű. Az antiprotonok negatív töltéssel rendelkeznek. Az antineutronok elektromosan semlegesek, akárcsak a neutronok, de ellentétes barionszámuk van, és antikvarkokból állnak. Antinukleusz összeállítható antiprotonokból és antineutronokból. Pozitronok hozzáadásával antiatomokat hozunk létre, ezek felhalmozásával pedig antianyagot kapunk. Ez mind antianyag.

És itt van néhány érdekes finomság, amelyekről érdemes beszélni. Először is, az antirészecskék létezése az elméleti fizika hatalmas diadala. Ezt a nem nyilvánvaló, sőt egyesek számára megdöbbentő ötletet elméletileg Paul Dirac vezette le, és kezdetben ellenségesen fogadták. Sőt, még a pozitronok felfedezése után is sokan kételkedtek az antiprotonok létezésében. Először is azt mondták, hogy Dirac kidolgozta a saját elméletét az elektron leírására, és nem tény, hogy ez működni fog a protonnál. Például a proton mágneses momentuma többszörösen eltér a Dirac-elmélet előrejelzésétől. Másodszor, hosszú ideig kutattak antiprotonok nyomait a kozmikus sugarakban, de semmit sem találtak. Harmadrészt azzal érveltek - szó szerint ismételve szavainkat -, hogy ha vannak antiprotonok, akkor létezniük kell antiatomoknak, anticsillagoknak és antigalaxisoknak, és ezeket mindenképpen észrevennénk a grandiózus kozmikus robbanásokban. Mivel ezt nem látjuk, valószínűleg azért, mert az antianyag nem létezik. Ezért az antiproton kísérleti felfedezése 1955-ben az újonnan elindított Bevatron gyorsítónál meglehetősen nem triviális eredmény volt, és 1959-ben fizikai Nobel-díjat kapott. 1956-ban ugyanabban a gyorsítóban fedezték fel az antineutront. Ezeknek a kereséseknek, kétségeknek és eredményeknek a története számos történelmi esszében megtalálható, például ebben a jelentésben vagy Frank Close Antimatter című könyvében.

Külön meg kell azonban mondani, hogy a tisztán elméleti kijelentésekben az egészséges kétség mindig hasznos. Például az az állítás, hogy az antirészecskék tömege megegyezik a részecskékkel, szintén elméleti eredmény, ami egy nagyon fontos CPT-tételből következik. Igen, a mikrovilág modern, kísérletileg tesztelt fizikája erre az állításra épül. De ez még mindig egyenlőség: ki tudja, talán így megtaláljuk az elmélet alkalmazhatóságának határait.

Egy másik jellemző: a mikrovilág nem minden ereje vonatkozik egyformán a részecskékre és az antirészecskékre. Az elektromágneses és az erős kölcsönhatások esetében nincs különbség köztük, a gyengéknél igen. Emiatt a részecskék és antirészecskék kölcsönhatásának néhány finom részlete eltér, például az A részecske bomlásának valószínűsége B részecskék halmazává és az anti-A egy anti-B halmazzá (további részletekért különbségek, lásd Pavel Pakhov gyűjteményét). Ez a jellemző azért merül fel, mert a gyenge kölcsönhatások megtörik világunk CP szimmetriáját. De hogy ez miért történik, az az elemi részecskék egyik titka, és túl kell lépni az ismert határain.

Itt van egy másik finomság: egyes részecskék olyan kevés tulajdonsággal rendelkeznek, hogy az antirészecskék és a részecskék egyáltalán nem különböznek egymástól. Az ilyen részecskéket valóban semlegesnek nevezik. Ez egy foton, egy Higgs-bozon, semleges mezonok, amelyek azonos típusú kvarkokból és antikvarkokból állnak. De a neutrínók helyzete még mindig tisztázatlan: lehet, hogy valóban semlegesek (Majorana), vagy talán nem. Ez kritikus fontosságú a neutrínók tömegét és kölcsönhatásait leíró elmélet szempontjából. A kérdésre adott válasz valóban nagy előrelépés lesz, mert segít megérteni világunk szerkezetét. A kísérlet még nem mondott semmi egyértelműt erről. De a neutrínókutatás kísérleti programja olyan erős, hogy annyi kísérletet végeznek, hogy a fizikusok fokozatosan egyre közelebb kerülnek a megoldáshoz.

Hol van ez az antianyag?

Amikor egy antirészecske találkozik a részecskéjével, megsemmisül: mindkét részecske eltűnik, és fotonok vagy könnyebb részecskék halmazává alakul. Minden nyugalmi energia e mikrorobbanás energiájává változik. Ez a tömeg leghatékonyabb átalakítása hőenergiává, több százszor hatékonyabb, mint egy atomrobbanás. De nem látunk semmiféle grandiózus természeti robbanást magunk körül; Az antianyag nem létezik számottevő mennyiségben a természetben. Az egyes antirészecskék azonban számos természetes folyamat során születhetnek.

A legegyszerűbb módja a pozitronok létrehozása. A legegyszerűbb lehetőség a radioaktivitás, egyes magok bomlása a pozitív béta radioaktivitás miatt. Például a kísérletekben a két és fél éves felezési idejű nátrium-22 izotópot gyakran használják pozitronforrásként. Egy másik, meglehetősen váratlan természeti forrás az, amely során olykor a pozitronok megsemmisüléséből származó gamma-sugárzás felvillanását észlelik, ami azt jelenti, hogy a pozitronok valahogy ott születtek.

Nehezebb antiprotonokat és egyéb antirészecskéket létrehozni: ehhez nincs elég radioaktív bomlási energia. A természetben nagyenergiájú kozmikus sugarak hatására születnek: a kozmikus proton a légkör felső rétegeiben valamilyen molekulával ütközve részecske- és antirészecskék-folyamokat hoz létre. Ez azonban odafent megtörténik, az antiprotonok szinte soha nem érik el a talajt (amit nem tudtak azok, akik a 40-es években antiprotonokat kerestek a kozmikus sugarakban), és ezt az antiprotonforrást nem lehet laboratóriumba vinni.

Minden fizikai kísérletben az antiprotonokat „nyers erő” állítja elő: nagy energiájú protonsugarat vesznek fel, egy célpontra irányítják, és szétválogatják az ütközés során nagy mennyiségben keletkező „hadronhulladékokat”. A szétválogatott antiprotonokat nyaláb formájában adják ki, majd vagy nagy energiákra gyorsítják fel, hogy protonokkal ütközhessenek (így működött pl. az amerikai Tevatron ütköztető), vagy fordítva, lelassítják és finomabb mérésekhez használják.

A CERN-ben, amely méltán büszkélkedhet az antianyagkutatás hosszú múltjával, van egy speciális „gyorsító” AD, az „Antiproton Moderátor”, amely éppen ezt a feladatot látja el. Elvesz egy antiprotonnyalábot, lehűti (vagyis lelassítja), majd elosztja a lassú antiprotonok áramlását több speciális kísérlet között. Egyébként, ha valós időben akarod megnézni az AD állapotát, akkor a Cernov online monitorok ezt lehetővé teszik.

Már nagyon nehéz antiatomokat szintetizálni, még a legegyszerűbbeket is, antihidrogén atomokat. A természetben egyáltalán nem keletkeznek - nincsenek megfelelő körülmények. Még a laboratóriumban is sok technikai nehézséget kell leküzdeni, mielőtt az antiprotonok méltóképpen egyesülnének a pozitronokkal. A probléma az, hogy a forrásokból kibocsátott antiprotonok és pozitronok még mindig túl forróak; egyszerűen egymásnak ütköznek és szétrepülnek, ahelyett, hogy antiatomot alkotnának. A fizikusok még mindig legyőzik ezeket a nehézségeket, de meglehetősen ravasz módszerekkel (ahogyan az egyik ASACUSA Cern-kísérletben történik).

Mit tudunk az antinukleuszokról?

Az emberiség minden atomellenes vívmánya csak az antihidrogénre vonatkozik. Más elemek antiatomjait még nem szintetizálták laboratóriumban és nem figyelték meg a természetben. Az ok egyszerű: az antinukleuszokat még nehezebb létrehozni, mint az antiprotonokat.

Az egyetlen módja annak, hogy antinukleuszokat hozzunk létre, az az, hogy nagy energiájú nehéz magokat ütköztetünk, és megnézzük, mi történik ott. Ha az ütközési energia nagy, részecskék ezrei születnek, köztük antiprotonok és antineutronok, és szétszóródnak minden irányba. A véletlenül egy irányban kibocsátott antiprotonok és antineutronok egymással egyesülve antinukleust alkothatnak.

Az ALICE detektor energiafelszabadulásuk és a mágneses tér csavarodási iránya alapján képes megkülönböztetni a különböző magokat és antinukleusokat.

Kép: CERN

A módszer egyszerű, de nem túl hatástalan: a nukleonok számának növekedésével a mag ily módon történő szintetizálásának valószínűsége meredeken csökken. A legkönnyebb antinukleuszokat, az antideuteronokat pontosan fél évszázaddal ezelőtt figyelték meg először. Az Antihélium-3-at 1971-ben látták. Az antitriton és az antihélium-4 is ismert, utóbbit egészen nemrég, 2011-ben fedezték fel. Súlyosabb antinukleuszokat még nem figyeltek meg.

Két nukleon-nukleon kölcsönhatást leíró paraméter (f0 szórási hossz és effektív sugár d0) különböző részecskepárokra. A piros csillag a STAR együttműködés során kapott antiprotonpár eredménye.

Sajnos így nem lehet antiatomokat készíteni. Az antinukleusok nemcsak ritkán keletkeznek, hanem túl sok energiájuk van, és minden irányba kirepülnek. Irreális, hogy megpróbáljuk elkapni őket egy ütközőnél, majd egy speciális csatornán keresztül lehűtjük őket.

Néha azonban elegendő gondosan nyomon követni az antinukleáris sejteket repülés közben, hogy érdekes információkhoz jussunk az antinukleonok között ható antinukleáris erőkről. A legegyszerűbb, ha gondosan megmérjük az antinukleusok tömegét, összevetjük az antiprotonok és antineutronok tömegének összegével, és kiszámítjuk a tömeghibát, ti. nukleáris megkötő energia. Nemrég működik a Nagy Hadronütköztetőben; Az antideuteron és az antihélium-3 kötési energiája a hibahatáron belül egybeesett a közönséges magokkal.

Egy másik, finomabb hatást az amerikai RHIC nehézionütköztető STAR kísérlete vizsgált. Megmérte a képződött antiprotonok szögeloszlását, és kiderítette, hogyan változik az, ha két antiproton egymáshoz közel kerül kibocsátásra. Az antiprotonok közötti összefüggések először tették lehetővé a közöttük ható „antinukleáris” erők tulajdonságainak (szórási hossz és effektív kölcsönhatási sugár) mérését; egybeestek a protonok kölcsönhatásáról ismertekkel.

Van antianyag az űrben?

Amikor Paul Dirac elméletéből a pozitronok létezésére következtetett, teljes mértékben feltételezte, hogy létezhetnek valódi antivilágok valahol az űrben. Ma már tudjuk, hogy az Univerzum látható részében nincsenek csillagok, bolygók vagy antianyagból készült galaxisok. A lényeg nem is az, hogy a megsemmisítő robbanások ne legyenek láthatóak; Egyszerűen teljesen elképzelhetetlen, hogyan alakulhattak ki és maradhattak fenn a mai napig egy folyamatosan fejlődő univerzumban.

De a „hogyan történt ez” kérdés a modern fizika másik hatalmas rejtélye; tudományos nyelven a bariogenezis problémájának nevezik. A világ kozmológiai képe szerint a legkorábbi univerzumban egyenlő számú részecske és antirészecske volt. Ekkor a CP-szimmetria és a barionszám megsértése miatt egy kis, egymilliárdos szinten az antianyag feletti anyagtöbbletnek kellett volna megjelennie egy dinamikusan fejlődő univerzumban. Ahogy az univerzum lehűlt, az összes antirészecske részecskékkel lágyult; csak ez az anyagfelesleg maradt életben, és ez hozta létre az általunk megfigyelt univerzumot. Neki köszönhető, hogy legalább valami érdekes marad benne, neki köszönhetjük, hogy egyáltalán létezünk. Hogy pontosan hogyan keletkezett ez az aszimmetria, nem ismert. Sok elmélet létezik, de hogy melyik igaz, nem tudni. Csak az világos, hogy ennek mindenképpen valamiféle új fizikának kell lennie, egy olyan elméletnek, amely túlmutat a Standard Modellen, túlmutat a kísérletileg igazoltak határain.

Három lehetőség arra, hogy honnan származhatnak a nagy energiájú kozmikus sugarak antirészecskéi: 1 - egyszerűen felbukkanhatnak és felgyorsulhatnak egy „kozmikus gyorsítóban”, például egy pulzárban; 2 - a közönséges kozmikus sugarak és a csillagközi közeg atomjai közötti ütközések során születhetnek; 3 - a nehéz sötét anyag részecskék bomlása során keletkezhetnek.

Bár nincsenek antianyagból készült bolygók vagy csillagok, az antianyag még mindig jelen van az űrben. A különböző energiájú pozitronok és antiprotonok fluxusait műhold kozmikus sugárzási obszervatóriumok rögzítik, mint például a PAMELA, Fermi, AMS-02. Az a tény, hogy pozitronok és antiprotonok az űrből érkeznek hozzánk, azt jelenti, hogy valahol odakint születnek. Az ezeket előidéző ​​nagyenergiájú folyamatok elvileg ismertek: ezek a neutroncsillagok erősen mágnesezett környezetei, különféle robbanások, a kozmikus sugarak felgyorsulása lökéshullámfrontokon a csillagközi közegben stb. A kérdés az, hogy meg tudják-e magyarázni a kozmikus antirészecskék áramlásának összes megfigyelt tulajdonságát. Ha kiderül, hogy nem, akkor ez azt bizonyítja, hogy némelyikük a sötét anyag részecskéinek bomlása vagy megsemmisülése következtében keletkezik.

Itt is van egy rejtély. 2008-ban a PAMELA obszervatórium gyanúsan sok nagy energiájú pozitront fedezett fel ahhoz képest, amit az elméleti modellezés előre jelzett. Ezeket az eredményeket a közelmúltban megerősítette az AMS-02 telepítés – a Nemzetközi Űrállomás egyik modulja, és általában a legnagyobb elemi részecskék detektora, amelyet az űrbe indítottak (és összeállították, találjátok ki, hol? - helyesen, a CERN-ben). Ez a pozitrontöbblet izgatja a teoretikusok elméjét – elvégre lehet, hogy nem az „unalmas” asztrofizikai objektumok a felelősek érte, hanem a nehéz sötét anyag részecskék, amelyek elektronokká és pozitronokká bomlanak vagy semmisülnek meg. Itt még nincs tisztaság, de az AMS-02 telepítése, valamint számos kritikus fizikus nagyon alaposan tanulmányozza ezt a jelenséget.

Az antiprotonok és a protonok aránya különböző energiájú kozmikus sugarakban. A pontok kísérleti adatok, a sokszínű görbék asztrofizikai elvárások különféle hibákkal.

Kép: Cornell Egyetemi Könyvtár

Az antiprotonok helyzete sem tisztázott. Ez év áprilisában az AMS-02 egy különleges tudományos konferencián mutatta be egy új kutatási ciklus előzetes eredményeit. A jelentés fő fénypontja az volt, hogy az AMS-02 túl sok nagy energiájú antiprotont lát – és ez utalhat a sötét anyag részecskéinek bomlására is. Más fizikusok azonban nem értenek egyet egy ilyen vidám következtetéssel. Manapság úgy gondolják, hogy az AMS-02 antiprotonadatai némi nyúlással magyarázhatók a hagyományos asztrofizikai forrásokkal. Így vagy úgy, mindenki izgatottan várja az AMS-02 új pozitron- és antiprotonadatait.

Az AMS-02 már több millió pozitront és negyedmillió antiprotont észlelt. De ennek az installációnak az alkotóinak van egy fényes álmuk - legalább egy antinukleust elkapni. Ez igazi szenzáció lesz – teljesen hihetetlen, hogy az antinukleáris sejtek valahol az űrben születnének és hozzánk repülnének. Egyelőre ilyen esetet nem fedeztek fel, de az adatgyűjtés folytatódik, és ki tudja, milyen meglepetéseket tartogat számunkra a természet.

Antianyag – antigravitáció? Egyáltalán hogyan érzi a gravitációt?

Ha csak a kísérletileg igazolt fizikára hagyatkozunk, és nem megyünk bele egzotikus, még meg nem erősített elméletekbe, akkor a gravitációnak pontosan ugyanúgy kell hatnia az antianyagra, mint az anyagra. Az antianyag esetében nem várható antigravitáció. Ha megengedjük magunknak, hogy kicsit messzebbre, az ismert határain túlra tekintsünk, akkor pusztán elméletileg lehetségesek azok a lehetőségek, amikor a szokásos univerzális gravitációs erőn kívül van még valami, ami másként hat az anyagra és az antianyagra. Bármennyire is illuzórikusnak tűnik ez a lehetőség, kísérletileg igazolni kell, ehhez pedig kísérleteket kell végezni annak tesztelésére, hogy az antianyag hogyan érzi a föld gravitációját.

Ezt sokáig nem igazán lehetett megtenni azon egyszerű oknál fogva, hogy ehhez egyedi antianyag atomokat kell létrehozni, csapdába ejteni és kísérleteket végezni velük. Most megtanultuk, hogyan kell ezt megtenni, így a várva várt teszt a sarkon van.

Az eredmények fő szállítója ugyanaz a CERN, amely kiterjedt antianyag-kutatási programjával rendelkezik. E kísérletek némelyike ​​már közvetetten igazolta, hogy az antianyag gravitációja rendben van. Például felfedezte, hogy az antiproton (inert) tömege nagyon nagy pontossággal egybeesik a proton tömegével. Ha a gravitáció másként hatott volna az antiprotonokra, a fizikusok észrevették volna a különbséget – elvégre az összehasonlítás ugyanabban a telepítésben és azonos körülmények között történt. A kísérlet eredménye: a gravitáció antiprotonokra gyakorolt ​​hatása egy milliomodnál jobb pontossággal egybeesik a protonokra gyakorolt ​​hatással.

Ez a mérés azonban közvetett. Hogy meggyőzőbb legyek, egy közvetlen kísérletet szeretnék végezni: vegyünk több antianyag atomot, dobjuk le őket, és nézzük meg, hogyan esnek a gravitációs mezőbe. Ilyen kísérleteket a CERN-ben is végeznek vagy készítenek elő. Az első próbálkozás nem volt túl lenyűgöző. 2013-ban az ALPHA kísérlet – amely addigra már megtanult egy antihidrogénfelhőt a csapdájában tartani – megpróbálta meghatározni, hogy hová esnek az antiatomok, ha a csapdát kikapcsolják. Sajnos a kísérlet alacsony érzékenysége miatt nem lehetett egyértelmű választ kapni: túl kevés idő telt el, az antiatomok össze-vissza rohangáltak a csapdában, és itt-ott megsemmisülési kitörések is előfordultak.

Két másik Cern-kísérlet a helyzet radikális javítását ígéri: a GBAR és az AEGIS. Mindkét kísérlet különböző módon teszteli majd, hogyan esik egy ultrahideg antihidrogén felhő egy gravitációs mezőbe. Várható pontosságuk az antianyag gravitációs gyorsulásának mérésében körülbelül 1%. Jelenleg mindkét telepítés összeszerelési és hibakeresési szakaszban van, és a fő kutatás 2017-ben kezdődik, amikor az AD antiproton moderátort az új ELENA tárológyűrű egészíti ki.

A pozitronok viselkedésének változatai szilárd anyagban.

Kép: nature.com

Mi történik, ha egy pozitron belép az anyagba?

Molekuláris pozitrónium képződése kvarc felületen.

Kép: Clifford M. Surko / Atomfizika: Egy leheletnyi antianyagleves

Ha idáig olvasott, már nagyon jól tudja, hogy amint egy részecske antianyag belép a közönséges anyagba, megsemmisülés következik be: a részecskék és az antirészecske eltűnnek és sugárzássá alakulnak. De milyen gyorsan történik ez? Képzeljünk el egy pozitront, amely vákuumból repült és szilárd anyagba lépett. Megsemmisül az első atommal való érintkezéskor? Egyáltalán nem szükséges! Egy elektron és egy pozitron megsemmisülése nem azonnali folyamat; atommérlegen hosszú időt igényel. Ezért a pozitronnak sikerül fényes életet élnie az anyagban, tele nem triviális eseményekkel.

Először is, egy pozitron képes felvenni egy árva elektront, és kötött állapotot, pozitróniumot (Ps) alkothat. Megfelelő centrifugálási orientáció mellett a pozitrónium több tíz nanoszekundumig élhet a megsemmisülés előtt. Mivel szilárd anyagban van, ez idő alatt több milliószor lesz ideje atomokkal ütközni, mert a pozitrónium termikus sebessége szobahőmérsékleten körülbelül 25 km/s.

Másodszor, egy anyagban sodródva a pozitrónium a felszínre kerülhet, és ott megtapadhat - ez az atomi adszorpció pozitronos (vagy inkább pozitrónium) analógja. Szobahőmérsékleten nem ül egy helyen, hanem aktívan halad a felületen. És ha ez nem egy külső felület, hanem egy nanométeres pórus, akkor a pozitrónium hosszú időre megreked benne.

Tovább tovább. Az ilyen kísérletekhez használt standard anyagban, a porózus kvarcban a pórusok nincsenek elszigetelve, hanem nanocsatornák kötik össze őket egy közös hálózatba. A felületen kúszó meleg pozitróniumnak lesz ideje több száz pórust megvizsgálni. És mivel az ilyen kísérletekben sok pozitrónium képződik, és szinte mindegyik kimászik a pórusokba, előbb-utóbb egymásba ütköznek, és kölcsönhatásba lépve néha valódi molekulákat képeznek - molekuláris pozitrónium, Ps 2. Ezután tanulmányozhatja, hogyan viselkedik a pozitróniumgáz, milyen gerjesztett állapotokkal rendelkezik a pozitrónium stb. És ne gondolja, hogy ezek pusztán elméleti megfontolások; Mindezeket a hatásokat már kísérletileg tesztelték és tanulmányozták.

Van-e gyakorlati alkalmazása az antianyagnak?

Természetesen. Általánosságban elmondható, hogy minden fizikai folyamat, ha világunk valamilyen új oldalát nyitja meg előttünk, és nem igényel többletköltséget, biztosan talál gyakorlati alkalmazást. Sőt, olyan alkalmazások is, amelyeket mi magunk sem gondoltunk volna, ha nem fedeztük volna fel és nem tanulmányoztuk volna először ennek a jelenségnek a tudományos oldalát.

Az antirészecskék legismertebb alkalmazása a PET, a pozitronemissziós tomográfia. Általában véve a magfizika lenyűgöző múlttal rendelkezik az orvosi alkalmazások terén, és az antirészecskék sem tétlenkednek itt. A PET-tel egy kis adag gyógyszert fecskendeznek be a páciens szervezetébe, amely instabil izotópot tartalmaz, rövid élettartammal (percektől órákig), és a pozitív béta-bomlás miatt bomlik. A gyógyszer felhalmozódik a kívánt szövetekben, az atommagok elbomlanak és pozitronokat bocsátanak ki, amelyek a közelben megsemmisülnek, és egy bizonyos energiájú két gamma-kvantumot hoznak létre. A detektor regisztrálja őket, meghatározza érkezésük irányát és idejét, és visszaállítja a bomlás helyét. Ez lehetővé teszi az anyageloszlás háromdimenziós térképének elkészítését nagy térbeli felbontással és minimális sugárdózissal.

A pozitronok az anyagtudományban is felhasználhatók, például egy anyag porozitásának mérésére. Ha az anyag folytonos, akkor az anyagban kellő mélységben megrekedt pozitronok meglehetősen gyorsan megsemmisülnek és gamma-sugarakat bocsátanak ki. Ha az anyag belsejében nanopórusok vannak, a megsemmisülés késik, mert a pozitrónium hozzátapad a pórus felületéhez. Ennek a késleltetésnek a mérésével lehetőség nyílik egy anyag nanoporozitásának mértékének meghatározására érintésmentes és roncsolásmentes módszerrel. Ezt a technikát illusztrálják a közelmúltban végzett munkák, amelyek arra irányulnak, hogy a nanopórusok hogyan jelennek meg és záródnak be a legvékonyabb jégrétegben, amikor gőz rakódik le a felszínen. Hasonló megközelítés működik a félvezető kristályok szerkezeti hibáinak, például üresedéseknek és diszlokációknak a vizsgálatakor is, és lehetővé teszi az anyag szerkezeti kifáradásának mérését.

Az antiprotonoknak orvosi alkalmazásuk is lehet. Most ugyanabban a CERN-ben folyik az ACE kísérlet, amely egy antiprotonnyaláb élő sejtekre gyakorolt ​​hatását vizsgálja. Célja, hogy tanulmányozza az antiprotonok rákterápiában való felhasználásának lehetőségeit.

Ionnyaláb és röntgensugárzás energiafelszabadulása anyagon való áthaladáskor.

Kép: Johannes Gutleber/CERN

Ez a gondolat megszokásból megrémítheti az olvasót: hogy lehet az, hogy egy antiprotonnyaláb élő emberbe ütközik?! Igen, és sokkal biztonságosabb, mint egy mély daganat röntgensugárzással történő besugárzása! A speciálisan kiválasztott energiájú antiprotonnyaláb hatékony eszközzé válik a sebész kezében, amellyel a test mélyén kiégethetők a daganatok, és minimalizálható a környező szövetekre gyakorolt ​​hatás. Ellentétben a röntgensugárzással, amely mindent eléget, ami a sugár alá esik, a nehéz töltésű részecskék az anyagon áthaladva energiájuk nagy részét a leállás előtti utolsó centiméterekben felszabadítják. A részecskék energiájának beállításával változtathatja a részecskék megállásának mélységét; Ez a milliméteres tartomány fogja viselni a fő sugárzási hatást.

Ezt a protonsugár-sugárterápiát régóta használják számos jól felszerelt klinikán szerte a világon. A közelmúltban néhányan ionterápiára váltottak, amely protonok helyett szénionnyalábot használ. Náluk az energiafelszabadulási profil még kontrasztosabb, ami azt jelenti, hogy a „terápiás hatások kontra mellékhatások” páros hatékonysága nő. De régóta javasolták az antiprotonok kipróbálását erre a célra. Hiszen egy anyagba belépve nemcsak kinetikus energiájukat adják fel, hanem megállás után megsemmisülnek is - ez pedig többszörösére növeli az energiafelszabadulást. Az, hogy ez a többletenergia hol rakódik le, összetett kérdés, és alaposan tanulmányozni kell a klinikai vizsgálatok megkezdése előtt.

Az ACE-kísérlet pontosan ezt teszi. Ebben a kutatók antiprotonsugarat vezetnek át egy baktériumtenyészetet tartalmazó küvettán, és mérik túlélésüket a hely, a nyalábparaméterek és a környezet fizikai jellemzői függvényében. A technikai adatoknak ez a módszeres és talán unalmas gyűjtése minden új technológia fontos kezdeti szakasza.

Igor Ivanov

A tudás ökológiája: Az antianyag régóta a sci-fi témája. Az Angyalok és démonok című könyvben és filmben Langdon professzor megpróbálja megmenteni a Vatikánt egy antianyag-bombától. A Star Trek csillaghajó Enterprise olyan motort használ, amely a

Az antianyag régóta a sci-fi témája. Az Angyalok és démonok című könyvben és filmben Langdon professzor megpróbálja megmenteni a Vatikánt egy antianyag-bombától. A Star Trek Starship Enterprise megsemmisítő antianyag-meghajtást használ, hogy a fénysebességnél gyorsabban haladjon. De az antianyag is valóságunk tárgya. Az antianyag részecskék gyakorlatilag azonosak anyagi partnereikkel, kivéve, hogy ellentétes töltést és forgást hordoznak. Amikor az antianyag találkozik az anyaggal, azonnal energiává semmisülnek meg, és ez már nem fikció.

Bár az antianyag-bombák és az azonos tüzelőanyaggal hajtott hajók még nem jelentenek gyakorlati lehetőséget, számos olyan tény van az antianyagról, amely meglep, vagy felfrissíti az emlékezetét arról, amit már tud.

1. Az antianyagnak el kellett volna pusztítania az Univerzumban található összes anyagot az Ősrobbanás után

Az elmélet szerint az Ősrobbanás során az anyag és az antianyag egyenlő mennyiségben jött létre. Amikor találkoznak, kölcsönös pusztulás következik be, megsemmisülés, és csak a tiszta energia marad. Ez alapján nem kellene léteznünk.

De létezünk. És amennyire a fizikusok tudják, ez azért van, mert minden milliárd anyag-antianyag párhoz jutott egy extra anyagrészecske. A fizikusok mindent megtesznek, hogy megmagyarázzák ezt az aszimmetriát.

2. Az antianyag közelebb van hozzád, mint gondolnád

Kis mennyiségű antianyag folyamatosan hull a Földre kozmikus sugarak, energetikai részecskék formájában az űrből. Ezek az antianyag részecskék négyzetméterenként egytől több mint százig érik el a légkörünket. A tudósoknak arra is van bizonyítékuk, hogy zivatarok során antianyag keletkezik.

Vannak más antianyag-források is, amelyek közelebb állnak hozzánk. A banán például úgy állít elő antianyagot, hogy körülbelül 75 percenként egy pozitront – egy elektron antianyag-egyenértékét – bocsát ki. Ennek az az oka, hogy a banán kis mennyiségben tartalmaz kálium-40-et, a kálium természetben előforduló izotópját. A kálium-40 bomlása néha pozitront termel.

Testünk kálium-40-et is tartalmaz, ami azt jelenti, hogy Ön is pozitronokat bocsát ki. Az antianyag anyaggal érintkezve azonnal megsemmisül, így ezek az antianyag részecskék nem tartanak sokáig.

3. Az embereknek nagyon kevés antianyagot sikerült létrehozniuk

Az antianyag és az anyag megsemmisítése hatalmas mennyiségű energia felszabadulását rejtheti magában. Egy gramm antianyag atombomba méretű robbanást tud előidézni. Az emberek azonban nem nagyon termeltek antianyagot, így nincs mitől félni.

A Fermilab Tevatron részecskegyorsítójában létrehozott összes antiproton mérete alig 15 nanogramm lenne. A CERN eddig csak körülbelül 1 nanogrammot termelt. A németországi DESY-ben - legfeljebb 2 nanogramm pozitron.

Ha az emberek által létrehozott összes antianyagot azonnal megsemmisítenék, annak energiája még egy csésze tea felforralásához sem lenne elegendő.

A probléma az antianyag előállításának és tárolásának hatékonyságában és költségében rejlik. 1 gramm antianyag létrehozása körülbelül 25 millió milliárd kilowattóra energiát igényel, és több mint egymillió milliárd dollárba kerül. Nem meglepő, hogy az antianyag olykor felkerül a világ tíz legdrágább anyagának listájára.

4. Van olyan, hogy antianyag-csapda

Az antianyag tanulmányozásához meg kell akadályoznia, hogy az anyaggal együtt semmisüljön meg. A tudósok több módszert is találtak erre.

A töltött antianyag részecskék, például a pozitronok és az antiprotonok úgynevezett Penning-csapdákban tárolhatók. Olyanok, mint egy apró részecskegyorsító. Bennük a részecskék spirálisan mozognak, míg a mágneses és elektromos mezők megakadályozzák, hogy ütközzenek a csapda falával.

A Penning csapdák azonban nem működnek olyan semleges részecskékre, mint az antihidrogén. Mivel nincs töltésük, ezeket a részecskéket nem korlátozhatják elektromos mezők. Ioffe csapdákban tartják őket, amelyek úgy működnek, hogy olyan térrégiót hoznak létre, ahol a mágneses mező minden irányban erősebbé válik. Az antianyag részecskék a leggyengébb mágneses mezővel rendelkező területen ragadnak meg.

A Föld mágneses tere antianyag-csapdaként működhet. Antiprotonokat találtak a Föld körüli bizonyos zónákban - a Van Allen sugárzónákban.

5. Az antianyag leeshet (szó szerint)

Az anyag és az antianyag részecskék tömege azonos, de olyan tulajdonságokban különböznek, mint az elektromos töltés és a spin. A Standard Modell azt jósolja, hogy a gravitációnak egyformán kell hatnia az anyagra és az antianyagra, de ezt még látni kell. Olyan kísérletek dolgoznak ezen, mint az AEGIS, az ALPHA és a GBAR.

Az antianyag gravitációs hatásának megfigyelése nem olyan egyszerű, mint egy alma leesése a fáról. Ezek a kísérletek megkövetelik az antianyag csapdában tartását vagy lassítását oly módon, hogy az abszolút nulla fölé hűtik. És mivel a gravitáció a leggyengébb az alapvető erők közül, a fizikusoknak semleges antianyag részecskéket kell használniuk ezekben a kísérletekben, hogy megakadályozzák az elektromosság erősebb erejével való kölcsönhatást.

6. Az antianyagot részecske-moderátorokban tanulmányozzák

Hallottál a részecskegyorsítókról, és hallottál már a részecske-moderátorokról? A CERN-nek van egy Antiproton Decelerator nevű gépe, amely befogja és lelassítja az antiprotonokat egy gyűrűben, hogy tanulmányozza tulajdonságaikat és viselkedésüket.

A gyűrű alakú részecskegyorsítókban, mint például a Large Hadron Collider, a részecskék minden egyes kör megtételekor energikus löketet kapnak. A moderátorok ellentétes módon működnek: a részecskék felgyorsítása helyett az ellenkező irányba tolják őket.

7. A neutrínók a saját antirészecskék lehetnek

Az anyagrészecske és antianyag-partnere ellentétes töltést hordoz, így könnyen megkülönböztethetők. A neutrínók, szinte tömeg nélküli részecskék, amelyek ritkán lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, nincs töltésük. A tudósok úgy gondolják, hogy Majorana részecskék lehetnek, a részecskék egy hipotetikus osztálya, amelyek a saját antirészecskék.

Az olyan projektek, mint a Majorana Demonstrator és az EXO-200, az úgynevezett neutrínó nélküli kettős béta-bomlás viselkedésének megfigyelésével próbálják meghatározni, hogy a neutrínók valóban Majorana-részecskék-e.

Egyes radioaktív atommagok egyszerre bomlanak le, két elektront és két neutrínót bocsátanak ki. Ha a neutrínók a saját antirészecskék lennének, kettős bomlás után megsemmisülnének, így a tudósoknak csak elektronok maradnának a megfigyelésre.

A Majorana neutrínók keresése segíthet megmagyarázni, miért létezik anyag-antianyag aszimmetria. A fizikusok szerint a Majorana neutrínók lehetnek nehézek vagy könnyűek. A könnyűek ma is léteznek, de a nehézek közvetlenül az Ősrobbanás után. A nehéz Majorana neutrínók aszimmetrikusan bomlottak le, aminek következtében megjelent egy kis mennyiségű anyag, amely betöltötte Univerzumunkat.

8. Az antianyagot az orvostudományban használják

A PET, a PET (pozitronemissziós topográfia) pozitronokat használ a test nagy felbontású képeinek előállításához. A pozitront kibocsátó radioaktív izotópok (mint a banánban találhatók) a szervezetben található vegyi anyagokhoz, például glükózhoz kapcsolódnak. A véráramba fecskendezik, ahol természetesen bomlanak, pozitronokat bocsátva ki. Ezek viszont találkoznak a test elektronjaival, és megsemmisülnek. Az annihiláció gamma-sugarakat hoz létre, amelyeket képek készítésére használnak.

A CERN ACE projektjének tudósai az antianyagot tanulmányozzák, mint potenciális jelöltet a rák kezelésében. Az orvosok már felfedezték, hogy képesek a részecskék sugarait a daganatokra irányítani, és csak azután szabadítják fel energiájukat, hogy biztonságosan áthaladtak az egészséges szöveteken. Az antiprotonok használata további energiakitörést jelent. Ezt a technikát hatékonynak találták hörcsögök kezelésére, de embereken még nem tesztelték.

9. Lehet, hogy az antianyag lappang az űrben

A tudósok az anyag-antianyag aszimmetria problémájának egyik módja az, hogy az ősrobbanásból visszamaradt antianyagot keresik.

Az alfamágneses spektrométer (AMS) a Nemzetközi Űrállomáson található részecskedetektor, amely ilyen részecskéket keres. Az AMS mágneses mezőket tartalmaz, amelyek meghajlítják a kozmikus részecskék útját, és elválasztják az anyagot az antianyagtól. Érzékelőinek észlelniük és azonosítaniuk kell az ilyen részecskéket, amikor áthaladnak.

A kozmikus sugárzás ütközései általában pozitronokat és antiprotonokat termelnek, de az antihélium atom létrejöttének valószínűsége rendkívül kicsi a folyamathoz szükséges hatalmas energiamennyiség miatt. Ez azt jelenti, hogy akár egyetlen antihélium nucleolus megfigyelése is erőteljes bizonyíték lenne arra, hogy óriási mennyiségű antianyag létezik a világegyetem más részein.

10. Az emberek valójában azt tanulmányozzák, hogyan lehet űrhajókat antianyag üzemanyaggal táplálni.

Csak egy kis antianyag hatalmas mennyiségű energiát termelhet, így a sci-fi futurisztikus hajóinak népszerű üzemanyaga.

Az antianyag rakéta meghajtása hipotetikusan lehetséges; a fő korlát az, hogy elegendő antianyagot kell összegyűjteni ahhoz, hogy ez megtörténjen.

Még nem létezik olyan technológia, amely az ilyen alkalmazásokhoz szükséges mennyiségű antianyag tömeggyártását vagy összegyűjtését lehetővé tenné. A tudósok azonban éppen ennek az antianyagnak a mozgását és tárolását szimulálják. Egy napon, ha módot találunk nagy mennyiségű antianyag előállítására, kutatásaik segíthetik a csillagközi utazás valósággá válását. közzétett

Bármilyen információ nyilvános elérhetősége, tudományos-fantasztikus filmek bősége, amelyek témái bizonyos tudományos vagy áltudományos problémákhoz kapcsolódnak, a szenzációs regények népszerűsége – mindez számos mítosz kialakulásához vezetett. világ. Például számos elméletnek köszönhetően, amelyek a világvége változatait játszák le, az „antianyag” fogalma széles körben elterjedt. A műalkotásokban és az apokaliptikus elméletekben az antianyag egy bizonyos szubsztanciát jelent, amelynek tulajdonságai ellentétesek az anyaggal, az anyaggal. Egyfajta fekete lyuk, amely elnyel és elpusztít mindent, ami a vonzási zónájába esik. Valójában mi az antianyag, nem az írókat, rendezőket és az általános összeomlás megszállottjait kell megkérdezni, hanem a tudósokat.

Az antirészecskék és az antianyag az univerzum normális részét képezik

A tudósok azt fogják mondani, hogy az antianyagban nincs semmi szörnyű vagy katasztrofális. Már csak azért is, mert lehetetlen szembenézni az anyaggal és az antianyaggal - amit közönségesen antianyagnak neveznek, az valójában egyfajta anyag, vagyis anyag. A tudományos osztályozás szerint az anyagrészecskéket általában elemi részecskékkel körülvett atomokból álló anyagi szerkezeteknek nevezik. Az atom alapvető része az atommag, amely pozitív töltésű, és a körülötte lévő elemi részecskék negatív töltésűek. Ezek ugyanazok az elektronok, amelyek nevét a mindennapi életben minden nap használjuk, amikor elektronikát és elektromos készülékeket említünk.

Az antianyag antirészecskékből áll, vagyis azokból az anyagi struktúrákból, amelyek magjai negatív töltésűek, az őket körülvevő részecskék pedig pozitív töltésűek.

A pozitív elemi részecskéket a tudósok csak 1932-ben fedezték fel, és pozitronoknak nevezték őket. A részecskék és az antirészecskék, az anyag és az antianyag kölcsönhatásában sincs végzetes dráma. Megsemmisülés következik be - a reakcióban lévő anyag és az antianyag alapvetően új részecskékké történő átalakulásának folyamata, amelyek eredetileg nem léteztek, és amelyek tulajdonságai eltérnek az eredeti, „anya” részecskéktől. Igaz, a „mellékhatás” meglehetősen veszélyes is lehet: a megsemmisülés hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával jár. Becslések szerint 1 kilogramm anyag és 1 kilogramm antianyag reakciója körülbelül 43 megatonna felrobbanó TNT-nek megfelelő energia szabadul fel. A Földön felrobbant legerősebb atombombának körülbelül 58 megatonna TNT potenciálja volt.

Az antianyag beszerzésének módja nem kérdés a tudomány számára

Az antianyag valósága bizonyított tény. A tudósok elméleti feltételezései harmonikusan ötvözték a világ általános tudományos képével, majd kísérleti úton antirészecskéket fedeztek fel. Már csaknem ötven éve mesterségesen állítanak elő antirészecskéket a részecskék és az antirészecskék közötti kölcsönhatási reakció révén. 1965-ben szintetizálták az anti-deuteront, majd 30 évvel később előállították az antihidrogént (a „klasszikus” hidrogéntől az a különbség, hogy az antianyag atom egy pozitronból és egy antiprotonból áll). A tudósok tovább mentek, és 2010-2011-ben sikerült laboratóriumi körülmények között „elkapniuk” az antianyag atomokat. Csak körülbelül 40 atom találja magát a „csapdában”, és 172 ezredmásodpercig tudták megtartani őket.

Az antirészecskék tanulmányozásának gyakorlati lehetőségei nyilvánvalóak, tekintettel a részecskék és antirészecskék kölcsönhatásának hatalmas energiapotenciáljára.

Az antianyag felhasználása és ennek a folyamatnak ellenőrzött módon történő elindítása tulajdonképpen végleg kiküszöböli az energiaszerzés problémáját.

A nehézség, mint mindig, a pénzben van: a számítások szerint ma körülbelül 60 billió dollárba kerülne mindössze egy gramm antianyag előállítása. A hagyományos energiaforrások tehát egyelőre továbbra is relevánsak – de a kutatást folytatni kell. Sőt, már a 20-21. század fordulóján a csillagászok és asztrofizikusok antianyagforrásokat fedeztek fel az Univerzumban. Különösen a világűrben mozgó pozitív töltésű elemi részecskék (pozitronok) valós áramlásairól szereztek adatokat. Számos, gyakorlati kutatásokkal többé-kevésbé alátámasztott elmélet született, amelyek megmagyarázzák az antirészecskék természetes körülmények közötti képződésének mechanizmusait.

Nagyon népszerű magyarázat az, hogy az antirészecskék a fekete lyukakban erős gravitációs mezőben keletkeznek. Ez a gravitációs mező kölcsönhatásba lép a „közönséges” anyaggal, és az anyag „feldolgozási” folyamata eredményeként pozitronok keletkeznek - olyan részecskék, amelyek a gravitáció hatására töltésüket negatívról pozitívra változtatták. Egy másik koncepció a természetben előforduló radioaktív elemekre mutat rá, amelyek közül a legismertebbek a szupernóvák. Feltételezik, hogy ezek a természetes atomreaktorok melléktermékként antirészecskéket „termelnek”. Vannak más verziók is: például két csillag összeolvadásának folyamata együtt járhat megváltozott töltésű részecskék képződésével, vagy éppen ellenkezőleg, egy ilyen hatás csillagok halálához vezethet.

Hol található az antianyag - rejtvény a kutatók számára

Így az antianyag jelenléte tagadhatatlan. De ahogy az az Univerzum titkainak tanulmányozása során általában megtörténik, egy alapvető probléma merült fel, amelyet a tudomány fejlődésének ezen szakaszában még nem tudott megoldani. Az Univerzum szerkezetének szimmetria elve szerint , világunknak megközelítőleg ugyanannyi anyagot kell tartalmaznia, mint az antianyagot, annyi pozitív magból és negatív töltésű részecskékből álló atomot, mint a negatív maggal és pozitív részecskékkel rendelkező atomoknak. De a gyakorlatban jelenleg nem fedezték fel az antianyag nagymértékű felhalmozódásának nyomait (az elméleti szakemberek még egy nevet is találtak az ilyen felhalmozódásoknak - „antivilág”).

Csillagászati ​​megfigyelések során az antianyagot csak a kibocsátott gamma-sugárzásnak köszönhetően lehet elég jól kimutatni. Az optimisták azonban nem veszítik el a reményt – és teljesen jogosan.

Először is, a Föld az Univerzumnak abban az „anyagi” részében helyezkedhet el, amely maximálisan távol van az „antianyag” felétől. Ez azt jelenti, hogy a lényeg a nem kellően erős és kifinomult megfigyelőeszközök. Másodszor, elektromágneses sugárzásukat tekintve az anyagból és antianyagból álló tárgyak megkülönböztethetetlenek, ezért az optikai megfigyelési módszer itt használhatatlan. Harmadszor, nem utasították el a kompromisszumos elméleteket – például azt, hogy az Univerzumnak sejtszerkezete van, amelyben minden sejt félig anyagból és félig antianyagból áll.

Alekszandr Babitszkij